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1、第第11章章数模与模数转换器数模与模数转换器数字信号转换成模拟信号或是模拟信号转换成数字信号是常用数字信号转换成模拟信号或是模拟信号转换成数字信号是常用的信号转换技术，在实际中有着广泛的应用。本章先介绍各种的信号转换技术，在实际中有着广泛的应用。本章先介绍各种数模转换器，然后介绍模数转换器，除介绍工作原理与转换器数模转换器，然后介绍模数转换器，除介绍工作原理与转换器技术参数外，还介绍几种实际的转换器技术参数外，还介绍几种实际的转换器11.1数模转换数模转换数数字字（Digital）信信号号转转换换成成模模拟拟（Analog）信信号号，简简称称为为D/A转转换换。在在很很多多电电子系统中，子系统
2、中，D/A转换是不可缺少的重要组成部分，。转换是不可缺少的重要组成部分，。运算放大器符号与电路如图运算放大器符号与电路如图11-1所示。所示。11.1.1权电阻权电阻D/A转换器转换器权电阻数权电阻数/模转换器电路如图模转换器电路如图11-2所示。图中开关分别受数所示。图中开关分别受数字信号字信号D3D0控制，当数字控制，当数字信号为信号为1时，开关的动触点连时，开关的动触点连接接VREF，数字信号为数字信号为0时，开时，开关的动触点连接地线。关的动触点连接地线。*11.1.2输出电压型输出电压型R/2R电阻网络电阻网络D/A转换器转换器图图11-5显示的是显示的是4位输出电压型位输出电压型R
3、/2R梯形电阻梯形电阻D/A转换器电路。转换器电路。使用的使用的R/2R电电阻网络阻网络D/A转换转换器电路如图器电路如图11-10所示所示11.1.3输出电流型输出电流型R/2R电阻网络电阻网络D/A转换器转换器图图11-11所示是所示是4位输出电流型位输出电流型R/2R电阻网络电阻网络D/A转换器电路转换器电路11.1.5D/A转换器的技术指标转换器的技术指标1台阶电压台阶电压11.1.6D/A转换器转换器08321内部结构内部结构该芯片的内部结构如图该芯片的内部结构如图11-18所示。所示。1内部结构内部结构该该芯芯片片的的内内部部结结构构如如图图11-18所所示示，图图中中8位位输输入
4、入寄寄存存器器用用8D触触发发器器构构成成，常常用用于于连连接接单单片片机机，接接收收单单片片机机送送来来的的数数字字信信号号；8位位D/A转转换换寄寄存存器器也也是是用用8D触触发发器器构构成成的的，该该寄存器接收输入寄存器送来的数字信号，锁存后直接送到寄存器接收输入寄存器送来的数字信号，锁存后直接送到8位位D/A实现实现D/A转换；转换；双双缓缓冲冲的的第第一一个个优优点点是是，可可以以按按照照数数据据源源的的时时序序随随时时更更新新D/A转转换换器器输输入入寄寄存存器器的的数数据据，第第二二个个优优点点可可以以使使一一个个系系统统中中用用一一个个触触发发信信号号同同时时更更新新多多个个D
5、/A转转换换器器输输出出的的模模拟电压。拟电压。D/A转换器转换器0832内部电路如图内部电路如图11-19所示所示11.2模数转换器模数转换器模模拟拟（Analog）信信号号转转换换成成数数字字（Digital）信信号号，简简称称为为A/D转转换换。在在很很多多系系统统中中，A/D转换是不可缺少的重要组成部分，本节将介绍几种常用的转换是不可缺少的重要组成部分，本节将介绍几种常用的A/D转换器。转换器。*11.2.2流水线型流水线型A/D转换器转换器11.2.3双斜率双斜率A/D转换器转换器在在数数字字仪仪表表或或其其他他测测量量仪仪器器中中，例例如如数数字字万万用用表表，经经常常使使用用的的
6、模模数数转转换换器器是是双双积积分分A/D转换器。双积分转换器。双积分A/D转换器原理框图如图转换器原理框图如图11-29所示。所示。*11.2.4-型型A/D转换器转换器图图11-34显示的是显示的是Delta-Sigma型型A/D转换器原理框图。工作原理介绍如下。转换器原理框图。工作原理介绍如下。从图中可以看出，它由逐次近似寄存器、D/A转换器和比较器组成。如果在转换器的输入端加5.1V的模拟电压，则工作过程如下。逐次近似寄存器23位置位，同时D/A转换器的23位置1，D/A转换器输出8V电压，由于比较器的反相端电压（8V）高于同相端电压（5.1V），所以输出低电平，逐次近似寄存器中该位被
7、复位，输出0000。逐次近似寄存器22位置位，同时D/A转换器的22位置1，D/A转换器输出4V电压，由于比较器的反相端电压（4V）低于同相端电压（5.1V），所以输出高电平，逐次近似寄存器中该位被保留，输出0100。逐次近似寄存器21位置位，同时D/A转换器的21位置1，这时D/A转换器的输入数字量为0110，所以输出6V电压，由于比较器的反相端电压（6V）高于同相端电压（5.1V），所以输出低电平，逐次近似寄存器中该位被复位，输出0100。逐次近似寄存器20位置位，同时D/A转换器的最低位（LSB）置1，这时D/A转换器的输入数字量为0101，所以输出5V电压，由于比较器的反相端电压（5V
8、）低于同相端电压（5.1V），所以输出高电平，逐次近似寄存器中该位被保留，输出0101。当逐次近似寄存器的4位触发器都置过1以后，转换完成，这时逐次近似寄存器中存有二进制数据0101，这就是5.1V输入模拟电压的近似二进制数表示。一个转换周期完成后，将逐次近似寄存器清零，开始下一次转换。逐次比较式A/D转换器的转换时间取决于转换中数字位数n的多少，完成每位数字的转换需要一个时钟周期，由前面分析可知，第n个时钟脉冲作用后，转换完成，所以该转换器的转换最小时间是nTC，这里TC是时钟脉冲的周期。11.2.6A/D转换器的技术指标转换器的技术指标1分辨率分辨率3偏移误差偏移误差偏移误差是指理想转换直
9、线原点与实际转换曲线原点之间的距离，该误差示意如图偏移误差是指理想转换直线原点与实际转换曲线原点之间的距离，该误差示意如图11-38所示所示。由图可以看出，当由图可以看出，当A/D转换器的输入电压逐步增加，使转换器的输入电压逐步增加，使A/D转换器输出数字从转换器输出数字从000跳跳到到001，这时的输入电压与，这时的输入电压与1/2LSB代表电压之差就是偏移误差，偏移误差可以通过代表电压之差就是偏移误差，偏移误差可以通过移动输入电压范围的方法消除。移动输入电压范围的方法消除。5非线性误差非线性误差积分非线性、微分非线性与增益非线性等都是非线性误差，如果不详细区分误差原积分非线性、微分非线性与
10、增益非线性等都是非线性误差，如果不详细区分误差原因，则非线性误差是实际转换曲线与理想转换直线之间的最大纵向偏移。非线性误因，则非线性误差是实际转换曲线与理想转换直线之间的最大纵向偏移。非线性误差示意图如图差示意图如图11-40所示。所示。6绝对精度与相对精度绝对精度与相对精度对对于于某某A/D转转换换器器输输出出的的任任何何数数字字，其其对对应应的的实实际际模模拟拟输输入入电电压压与与理理想想模模拟拟输输入入电电压之间差别的最大值称为绝对精度。压之间差别的最大值称为绝对精度。对对应应某某A/D转转换换器器输输出出数数字字的的实实际际模模拟拟输输入入电电压压与与理理想想模模拟拟输输入入电电压压之
11、之间间差差别别的的最最大值除以满度模拟输入电压称为相对精度。大值除以满度模拟输入电压称为相对精度。7A/D转换器转换速率转换器转换速率A/D转转换换器器的的转转换换速速率率是是每每秒秒转转换换的的次次数数，主主要要取取决决于于转转换换器器的的类类型型，不不同同的的转转换换器的转换速率相差很多。器的转换速率相差很多。并并联联型型与与流流水水线线A/D转转换换器器的的转转换换速速率率最最快快，如如8位位二二进进制制数数据据输输出出的的并并联联型型A/D转换器的转换速率可达转换器的转换速率可达50ns以内。以内。逐逐次次比比较较式式A/D转转换换器器的的转转换换速速率率排排第第二二，多多数数产产品品
12、的的转转换换速速率率都都在在10100m ms以以内。个别内。个别8位转换器转换时间小于位转换器转换时间小于1m ms。双积分与双积分与Delta-Sigma型型A/D转换器的转换速率很慢，一般在数十毫秒至数百毫秒转换器的转换速率很慢，一般在数十毫秒至数百毫秒之间。之间。11.2.7A/D转换器转换器0804A/D转转换换器器0804是是一一个个8位位逐逐次次比比较较式式A/D转转换换器器，该该转转换换器的符号如图器的符号如图11-41所示。所示。该转换器的主要参数：该转换器的主要参数：电源电压为电源电压为5V，范围为范围为4.56.3V，极限为极限为6.5V。分分辨辨率率为为8位位，在在VR
13、EF/2=2.5V时时的的最最大大不不可可调调整整误误差差1LSB。典型时钟频率为典型时钟频率为640kHz，典型转换时间典型转换时间100m ms。逻逻辑辑接接口口电电平平兼兼容容TTL，灌灌电电流流能能力力1.6mA，拉拉电电流流能能力力360m mA。芯芯片片自自带带时时钟钟发发生生电电路路（需需要要外外接接电电阻阻和和电电容容）。为为与与单单片片机机的的总总线线进进行行连连接接，该该芯芯片片的的数数据据输输出出端端具具有有三三态态输输出出功能。功能。*11.2.8A/D转换器组成的数据采集系统转换器组成的数据采集系统1数据采集系统的组成数据采集系统的组成A/D转换器常用于数据采集系统中
14、，图转换器常用于数据采集系统中，图11-44所示的就是数据采集系统框图。所示的就是数据采集系统框图。2采样采样/保持电路保持电路（1）采样定理）采样定理A/D转转换换器器转转换换是是需需要要时时间间的的，在在A/D转转换换过过程程中中，需需要要A/D输输入入端端的的电电压压保保持持稳稳定定，但但是是实实际际上上输输入入信信号号经经常常是是变变化化的的，为为在在A/D转转换换期期间间保保持持输输入入到到A/D转转换换器器的的输输入入信信号号电电压压稳稳定定，常常采采用用的的方方法法就就是是A/D转转换换与与输输入入信信号号之之间间增增加加采采样样/保保持持电电路路。每每采采样样一一次次，实实现现
15、一一次次A/D转转换换，因因此此采采样样时时间间反反映映了了采采集集系系统统的的实实时时性性能能，采采样样时时间由模拟信号频率、输入通道数和每个周期的采样数确定。间由模拟信号频率、输入通道数和每个周期的采样数确定。由由奈奈奎奎斯斯特特（Nyquist）采采样样定定理理，采采样样频频率率至至少少是是输输入入信信号号最最高高有有效效频频率率的的2倍倍。实际中，通常取采样频率为信号频率的实际中，通常取采样频率为信号频率的710倍。倍。在在A/D转转换换器器与与模模拟拟输输入入信信号号接接通通的的时时间间（称称为为孔孔径径时时间间）里里，输输入入模模拟拟信信号号值值是是变变化化的的，因因此此使使转转换
16、换结结果果包包含含孔孔径径误误差差。就就像像用用秤秤称称东东西西时时，当当所所称称东东西西不不断断变变化化，无无法法称称准准一一样样。为为消消除除孔孔径径误误差差，需需要要在在A/D转转换换器器与与输输入入模模拟拟信信号号之之间间串串联联采采样样/保持电路。若是输入信号变化缓慢，则可以不用采样保持电路。若是输入信号变化缓慢，则可以不用采样/保持电路。保持电路。（2）基本的采样/保持电路基本的采样/保持电路如图11-45所示。图中运放A接成电压跟随器，目的是提高输入阻抗，减小输入电流。图中S是由场效应管组成的模拟开关，CH是保持电容，A是缓冲放大器。当控制信号VL为采样电平时，开关S导通，保持电
17、容CH充电，这时输出电压VO跟随输入电压VIN变化；当控制信号VL为保持电平时，开关S断开，保持电容CH保存输入电压VIN值，使放大器输出电压VO等于S断开瞬间时的输入电压值。采样阶段，电容CH电压达到稳定值所需要的时间称为捕捉时间，只有采样周期大于捕捉时间，才能保证在采样阶段采集到输入模拟信号VIN。保持阶段，输出电压VO的下降是由于流过电容CH的漏电流引起的，这些漏电流包括缓冲放大器的输入电流、模拟开关的漏电流以及电容自身的泄漏电流。若要减少输出电压VO的下降率VO/t，则要选择高输入阻抗的缓冲放大器、优质电容器与漏电流小的模拟开关。（3）实际的采样/保持电路图11-46所示的是采样/保持
18、芯片LF398内部结构图与应用电路。图图11-46（a）中中，S是是模模拟拟开开关关，L是是模模拟拟开开关关S的的控控制制电电路路，在在输输入入VREF引引脚脚接接地地时，采样时，采样/控制引脚控制引脚VL与与TTL电平兼容。电平兼容。在图在图11-46（b）中，若中，若CH为为0.01m mF的低泄漏电容时，电压下降率为的低泄漏电容时，电压下降率为10- -3mV/s。3多通道模拟信号采集多通道模拟信号采集如如图图11-47所所示示，多多路路模模拟拟开开关关用用于于实实现现“多多选选一一”，就就是是输输入入为为多多路路模模拟拟信信号号，只有一个公共输出端连接采样保持器或是只有一个公共输出端连
19、接采样保持器或是A/D转换器。转换器。实际的多路模拟开关实际的多路模拟开关CD4051：CD4051是是8通通道道输输入入、单单公公共共通通道道输输出出的的模模拟拟开开关关，具具有有3位位二二进进制制数数据据通通道道选选择择端端和和使使能能控控制制端端。当当电电源源信信号号范范围围（VDDVSS）为为315V时时，模模拟拟信信号号范范围围（VDDVEE）可可达达15VP- -P，例例如如VDD=5V，VSS=0V，VEE=- -5V，则则数数字字信信号号为为05V，模模拟拟信信号范围为号范围为- -5V+5V。CD4051模拟开关的内部结构如图模拟开关的内部结构如图11-48所示。所示。CD4
20、051的导通电阻的导通电阻RON、信号电压信号电压VIS与电源电压之间的关系如图与电源电压之间的关系如图11-49所所示。可以看出电源电压越高，导通电阻不仅平坦而且小。示。可以看出电源电压越高，导通电阻不仅平坦而且小。图图11-49CD4051的导通电阻的导通电阻RON、信号电压信号电压VIS与电源电压之间的关系图与电源电压之间的关系图4集成多路集成多路A/D转换器转换器0809（1）A/D转换器转换器0809的内部逻辑结构的内部逻辑结构A/D转换器转换器0809内部结构方框图如图内部结构方框图如图8-50所示，是由一个所示，是由一个8路模拟开关、一个地址锁路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一
21、个存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模个模拟通道，允许拟通道，允许8路模拟量分时输入，公用路模拟量分时输入，公用A/D转换器进行转换。三态输出锁存器用转换器进行转换。三态输出锁存器用于锁存于锁存A/D转换器输出的数字量，当转换器输出的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。走转换完的数据。A/D转换器转换器0809具有如下主要特性：具有如下主要特性：时钟频率：在时钟频率：在101280kHz之间，典型值为之间，典型值为640kHz。 转转换换时时
22、间间：在在时时钟钟为为640kHz时时，转转换换时时间间为为90116m ms之间；之间；工作电源电压工作电源电压VCC：+5V；正参考电压正参考电压VREF+：+5V；负参考电压负参考电压VREF- -：0V；模拟电压输入范围：单极性模拟电压输入范围：单极性05V；最大不可调整误差：最大不可调整误差：1LSB；逻辑电平兼容逻辑电平兼容TTL/CMOS；功耗：功耗：15mW；封装：引脚封装：引脚28双列直插。双列直插。a）8个模拟量输入通道个模拟量输入通道IN7IN0。A/D转转换换器器0809对对输输入入模模拟拟量量要要求求：模模拟拟量量VIN为为单单极极性性，其其电电压压范范围围与与参参考
23、考电电源源有有关关，若若是是参参考考电电压压为为5V，则则电电压压范围也可达到范围也可达到5V。b）地址选择信号。地址选择信号。高高电电平平有有效效的的地地址址锁锁存存控控制制信信号号ALE。当当ALE线线为为高高电电平平时时，地地址址锁锁存存与与译译码码器器将将ADDA、ADDB、ADDC三三条条地地址线的地址信号进行锁存。址线的地址信号进行锁存。c）8条数字量输出线：条数字量输出线：D7D0。d）控制信号。控制信号。START为转换启动信号。为转换启动信号。EOC为转换结束信号。为转换结束信号。OE为输出允许信号。为输出允许信号。CLK为时钟输入信号。典型使用频率为为时钟输入信号。典型使用
24、频率为640kHz。参参考考电电压压VREF（）、VREF（）与与输输出出数数字字N、输输入入信信号号VIN之间的关系为：之间的关系为：若是若是VREF（）（）接地，则有接地，则有（4）A/D转换器0809实验电路A/D转换器0809实验电路如图11-53所示。5采集系统的增益估算采集系统的增益估算，图，图11-54所示的数据采集系统，由压力传感器、运放和所示的数据采集系统，由压力传感器、运放和A/D转换器组成。转换器组成。其其中中压压力力传传感感器器测测量量力力的的范范围围为为200kg，传传感感器器输输出出信信号号为为020mV，信信号号调调理理电电路的放大倍数为路的放大倍数为250倍，倍
25、，A/D转换器输入信号范围为转换器输入信号范围为05V，采用采用8位位A/D转换器。转换器。压压力力传传感感器器由由测测力力电电桥桥构构成成，其其灵灵敏敏度度为为2mV/V，若若是是传传感感器器电电源源电电压压为为10V，则传感器输出电压为则传感器输出电压为20mV，增益增益KC为为20mV/200kg=0.1mV/kg。信信号号调调理理放放大大器器A的的输输入入为为传传感感器器的的输输出出，若若输输入入电电压压为为20mV，输输出出电电压压为为5V，则放大倍数则放大倍数KA=250倍。倍。实实际际上上采采集集系系统统各各部部分分的的增增益益都都不不是是很很准准的的，常常需需要要现现场场调调节
26、节总总增增益益。另另外外对对于于输入压力为输入压力为0时的时的A/D转换器输出数字也常不是转换器输出数字也常不是0，因此采集系统还需要校零。，因此采集系统还需要校零。校校零零：使使传传感感器器处处于于0压压力力，然然后后调调节节传传感感器器、放放大大器器以以及及A/D转转换换器器中中任任何何一一个个环节的零点，则可以校正总采集系统的零点。通常在放大器环节容易调节。环节的零点，则可以校正总采集系统的零点。通常在放大器环节容易调节。校校准准增增益益：使使传传感感器器处处于于满满压压力力200kg，然然后后调调节节传传感感器器、放放大大器器与与A/D转转换换器器中中任任何何一一个个环环节节的的增增益
27、益，使使A/D转转换换器器输输出出为为数数字字255，则则表表明明总总增增益益正正确确。若若是是调调节节增增益益后后，使使零零点点发发生生改改变变，则则需需要要再再调调零零点点，然然后后再再调调整整增增益益，多多次次反反复复的的调调节才能满足要求。节才能满足要求。本章主要内容为：本章主要内容为：（1）数数模模转转换换，包包括括权权电电阻阻D/A转转换换器器、输输出出电电压压型型与与输输出出电电流流型型R/2R电电阻阻D/A转转换换器器、电电阻阻串串型型D/A转转换换器器，以以及及D/A转换器的技术指标。转换器的技术指标。（2）模模数数转转换换器器，包包括括并并行行A/D转转换换器器、流流水水线线型型A/D转转换换器器、双双斜斜率率A/D转转换换器器、D-D-型型A/D转转换换器器、逐逐次次比比较较式式A/D转换器，以及转换器，以及A/D转换器的技术参数。转换器的技术参数。（3）A/D转换器组成的数据采集系统，包括采样定理、采转换器组成的数据采集系统，包括采样定理、采样保持电路、多通道数据采集与样保持电路、多通道数据采集与A/D转换器转换器0809组成的数组成的数据采集系统举例。据采集系统举例。作业：作业：11-111-20
